【正文】 4 級(jí)精度，側(cè)隙種類代號(hào)為 C，即傳動(dòng) 4C GB/T 10089— 1988【 17】 。建模與仿真方法的優(yōu)點(diǎn)是減少硬件原型，提高新產(chǎn)品的上市速度，有效地優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)，與試制測(cè)試方法相比降低了資源消耗與成本。 SolidWorks在分析、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域采用全面開放、戰(zhàn)略聯(lián)合的策略，并配有黃金合作伙伴的優(yōu)選機(jī)制，能夠?qū)⒏鱾€(gè)專業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)秀應(yīng)用軟件直接集成到 SolidWorks 統(tǒng)一的界面下。它是建立模型的參考。 ⑵ 零件模型的建立 零件是由各種特征構(gòu)成的。在構(gòu)造好基本特征之后，才能創(chuàng)建其它各種特征。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析，能夠極大地提高對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可能存在問(wèn)題的預(yù)見性，從而使設(shè)計(jì)上作更科學(xué)、合理，更全面迅速。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析 方案時(shí)，運(yùn)動(dòng)分析橫犁自動(dòng)復(fù)制主模型的裝配文件，并建立一系列不同的運(yùn)動(dòng)分析 ^案，就可直接更新裝配主模型以反映優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，這也是相關(guān)性設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)。有限元分析是工程分析訓(xùn)算的有力工具。本設(shè)計(jì)應(yīng)用 CAE 的重要工具有限元分析 (Finite Element Analysis，簡(jiǎn)稱 FEA)技術(shù)對(duì)重要的零件進(jìn)行了可靠性分析。 COSMOS 系列軟件主要由三部分 組成 ，它 們是 COSMOSMotion 、 COSMOSFloW0rks 和哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 COSMOSWorks，本次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用的是 COSMOSWorks 部分。分析對(duì)比后的結(jié)果為： ⑴ COSMOS 軟件 測(cè)試結(jié)果：應(yīng)力為 ?，效果見圖 5—3；受力后變形量為哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 ?m。 ② 定義材料屬性 ③ 載荷和約束 定邊界條件和加載條件。 工作臺(tái)的靜態(tài)分析 工作臺(tái)采用 HT300 灰鑄鐵，從 SolidWorks 材料庫(kù)中得：此材料的彈性模量為 E— 66178N／ mm，泊松比為 V=；工作臺(tái)最大承載50kg，由于工作臺(tái)分成了十個(gè)區(qū)域平面，則每個(gè)平面的正壓力為500N。另一種方法是：在 So1idWorks 三維建模時(shí)，就確定工作臺(tái)的材料。點(diǎn)選“應(yīng)用力／力矩”復(fù)選框，并選取工作臺(tái)的十個(gè)工作平面，且每個(gè)面的正壓力為 500N，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，效果如圖 5— 7 所示。 ③ 分析完成后，出現(xiàn)靜態(tài)分析已完成對(duì)話框。 圖 5— 9 應(yīng)力分布圖 圖 5— 10 位移圖 由分析結(jié)果可知，工作臺(tái)所受載荷后的變形土要集中在兩端部分，從位移圖中看出：其位移量為 ?mm，滿足設(shè)計(jì)使用要求。 哈。 龍門立柱的靜態(tài)分析 龍門立柱的靜志分析的步驟同工作臺(tái)一樣，區(qū)別在于約束與載荷情況不一樣，且左右柱與橫梁的材質(zhì)均為 HT250 灰鑄鐵。 ⑷ 觀察結(jié)果 在有限元分析完成之后，會(huì)在 COSMOSWorks 模型樹中自動(dòng)生成哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 有關(guān)應(yīng)力、位移、應(yīng)變及變形的文件 夾。若網(wǎng)格劃分失敗 ，則需改變網(wǎng)格劃分單元的大小，使其滿足分析要求，其網(wǎng)格劃分后的效果如圖 5— 8 所示。然后單擊“確認(rèn)”。點(diǎn)擊 COSMOSWorks／算例，出現(xiàn)“定義研究”對(duì)話框，如圖 5— 5 所示，選取“靜態(tài)”按扭．然后單擊“確認(rèn)”。從機(jī)床行業(yè)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)剛度問(wèn)題的零部件集中在工作臺(tái)、立柱及橫 粱，床身在剛度方面能滿足使用要求。 圖 5— 4 ANSYS Workbench靜力分析結(jié)果 相比圖 5— 3 和圖 5— 4 結(jié)果，發(fā)現(xiàn) COSMOS 軟件分析結(jié)果應(yīng)力值的大小比 ANSYSWorkbench 軟件分析結(jié)果大，從設(shè)計(jì)安全考慮，COSMOS 軟件分析結(jié)果能滿足要求時(shí)，則用 ANSYS Workbench 軟件分析的結(jié)果也能滿足。 ANSYS 是 Analysis System 的簡(jiǎn)稱，是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，目前，許多國(guó)際化大公司己將 ANSYS 作為其設(shè)計(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn) 【 19】 。利用 COSMOS 的軟件功能，使工程師能在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中達(dá)到設(shè)計(jì)分析的能力。在強(qiáng)調(diào)“可視化”的今天，很多程序都建立了對(duì)用戶非常友好的 GUI(Graphics User Interface)，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖等，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。 重要零部件的有限元分析 — 靜態(tài)分析 計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE)作為項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，當(dāng)前已成為 CAD／ CAM 中不可缺少的霞要環(huán)節(jié)。從前面設(shè)計(jì)知道，在 SolidWorks 中，基于參數(shù)變化、變量化及相關(guān)性的原則，可以很方便地建立五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的三維裝配模型。零件模型的建立是一個(gè)反復(fù)完善的過(guò)程，其流程圖如上圖 5— 1 所示。改變與特征有關(guān)的形狀與位置的定義，就可以改變與模型有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。例如，在 3D 立體雛形特征上加入設(shè)計(jì)特征孔、槽、肋板等，或者進(jìn)行放樣、掃描、裝配等操作時(shí)，必須用到基準(zhǔn)特征作為剖面繪制的參考、定位參考、組合零件參考等。所以在不脫離SolidWorks 工作環(huán)境的情況下可以直接啟動(dòng)各個(gè)專業(yè)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控加工、產(chǎn)品 數(shù)據(jù)管理的全相關(guān)性。在產(chǎn)品的實(shí)際加工之前對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，使其在投入生產(chǎn)制造時(shí)性能達(dá)到最優(yōu) 【 18】 。在大量借鑒參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，最終確定了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。由 =，查文獻(xiàn) [17]中表 可得當(dāng)量摩擦角 =1?34?，所以可得傳動(dòng)效率 ?為： ? =（ ?） =（ ?） 工作類型 I II III 載荷性質(zhì) 均勻無(wú)沖擊 不均勻，小沖擊 不均勻，大沖擊 每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù) 25 25?50 50 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 = ? 與原來(lái)初取值相符。? 由文獻(xiàn) [17]中表 ，按 m178。 表 4— 4 使用系數(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 ③ 確定許用接觸應(yīng)力 (4— 2) 由文獻(xiàn) [17]中表 查取基本許用接觸應(yīng)力為： =200M。 表 4— 3 和的推薦值 5?6 7?13 14?27 28?80 6 4 2 1 30?36 28?52 28?54 28?80 ⑶ 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度確定模數(shù) m和蝸桿的分度圓直徑 ?9K()178。因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱蝸桿傳動(dòng)，取蝸桿頭數(shù) =2，蝸輪齒數(shù) =32。當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)效率一般為 ?，而自鎖蝸桿的傳動(dòng)效率 ?。與齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn) 【 17】 ： ⑴ 單級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，在動(dòng)力傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比 i 一般為 8?80，只傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)（如在某些分度機(jī)構(gòu)和儀表中）單級(jí)傳動(dòng)比 i可達(dá) 1000 以上。 C 軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)精密直齒圓柱齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其齒輪參數(shù)：小齒輪齒數(shù) =20，大齒輪齒數(shù) =40，模數(shù) =2，壓力角 α =20?，齒頂高系數(shù) =lmm，頂隙系數(shù) =，傳動(dòng)中心距a=60mm。 五軸聯(lián)動(dòng)銑頭設(shè)計(jì)參數(shù) 通過(guò)初期的大量瀏覽與借鑒國(guó)內(nèi)外的資料，并著重參考沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司和桂林機(jī)床股份有限公司的偏置式 A/C 軸聯(lián)動(dòng)銑頭資料，最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件及畢設(shè)要求，確定了五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下表 4— 1 所示。本章確定了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)元部件。激光位移傳感 表 3— 8 激光位移傳感器主要技術(shù)參數(shù) 檢測(cè)距離 40— 60mm 分辨率 7um 線性度 1% 工作電源 18— 30V DC 光源 激光 紅色 670nm 開關(guān)頻率 40Hz 連接方式 接插件 M12 4 針 模擬量輸出 0— 10v 響應(yīng)時(shí)間 光斑尺寸 防護(hù)等級(jí) IP67 外形尺寸 50 50 17mm 工作溫度 0? + 50 176。激光移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表 3— 8 所示。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前 分辨率 最高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù) 誤差 、安裝方便、使用可靠等 優(yōu)點(diǎn) ，在 機(jī)床 加工、檢測(cè)儀 表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。同以上計(jì)算方法， X 向、 Z 向以及 A 軸和 C 軸的伺服電機(jī)均可選擇出來(lái)。 計(jì)算絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速 確定使用條件 確 定 導(dǎo) 程 確定預(yù)期額定動(dòng)載荷 確定最小螺紋底徑 確定絲杠螺母副規(guī)格及代號(hào) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 1） Y 軸結(jié)構(gòu)模型參數(shù) Y 軸結(jié)構(gòu)模型：滾珠絲杠通過(guò)軸承與前后支撐座裝配固定，伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)與滾珠絲杠直聯(lián)，直線運(yùn)動(dòng)部件有工作臺(tái)和工件，具體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情形見圖 3— 4。預(yù)緊力過(guò)大會(huì)造成傳動(dòng)效率的降低、摩擦力增加、磨損增大、使用壽命降低等缺陷。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 1— 螺母， 2— 滾珠， 3— 端蓋， 4— 絲杠， 5— 蓋板， 6— 擋珠環(huán) 圖 3— 1 滾珠絲杠 當(dāng)絲杠 (或螺母 )固定時(shí)，螺母 (或絲杠 )即可產(chǎn)生相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)或其他移動(dòng)件作直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副作為精密、高效的傳動(dòng)元件在數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用也很普 遍，可作精密定位自動(dòng)控制、動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。因此，在滿足系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小零部件的重量、直徑，以降低慣量，提高快速特性。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力主要來(lái)自絲杠螺母副哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 和導(dǎo)軌。關(guān)于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛度，主要取決于絲杠螺母副、蝸桿副及其支撐結(jié)構(gòu)的剛度。機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)采用定梁動(dòng)滑臺(tái)龍門式結(jié)構(gòu)，五軸銑頭部分采用的是偏置雙擺動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)。五軸聯(lián)動(dòng)高速雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)便是此類應(yīng)用 【 10】 ，如圖 2— 6 所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 2— 4 純機(jī)械結(jié)構(gòu)的五軸頭 方案三，同方案二一樣采用機(jī)械傳動(dòng)，但是 A 采用雙導(dǎo)程蝸桿驅(qū)動(dòng)， C 軸則由精齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也已經(jīng)有才類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。目前在五軸聯(lián)動(dòng)銑頭領(lǐng)域中，西方 圖 2— 1 機(jī)床銑頭結(jié)構(gòu)的分類 【 8】 國(guó)家中主要有意大利意薩（ ISA）公司和德國(guó)西泰克（ CyTec）公司比較突出，國(guó)內(nèi)就數(shù)桂林機(jī)床股份有限公司做的比較專業(yè)化和系統(tǒng)化。100?， C軸回轉(zhuǎn)角度為 177。通常，用三軸或四軸機(jī)床是辦不到的。 (2) 雙擺式主軸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了加工精度 五軸聯(lián)動(dòng)銑頭一直是五軸聯(lián)動(dòng)龍門式數(shù)控機(jī)床的瓶頸，本課題設(shè)計(jì)出高哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 效實(shí)用的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)，它具有 A／ C軸功能，其中 C軸采用精密齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，而 A軸采用蝸桿傳動(dòng)形式，此傳動(dòng)結(jié)構(gòu)具有一定的軸向間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?，彌補(bǔ)了其它普通齒輪傳動(dòng)形式因齒輪嚙合磨損造成的軸向間隙問(wèn)題。 （ 5）對(duì)電機(jī)、減速器和聯(lián)軸器的選取，用 Solidworks 軟件進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)與裝配，并對(duì)主要部件進(jìn)行校核與有限元的分析，對(duì)必要零部件進(jìn)行振動(dòng)分析。初步設(shè)想用滾珠絲杠配合伺服電機(jī)作為動(dòng)力和傳動(dòng)裝置。未來(lái)誰(shuí)更早掌握了微型加工技術(shù)，誰(shuí)便站在了工業(yè)制造的前沿。西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)研制的微小型車床 ,其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到 200,000rpm。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 以上所述為國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)在國(guó)外正在進(jìn)行微型機(jī)床的輔助加工設(shè)計(jì)如美國(guó)的 愛思唯爾科技有限公司的研究領(lǐng)域便是激光輔助微銑削工藝，主要用來(lái)加工硬質(zhì)合金材料 【 3】 。以平均無(wú)障礙時(shí)間來(lái)看，國(guó)際水平是 5000h，臺(tái)灣水平是 3000h，而我國(guó)沈陽(yáng)機(jī)床廠平均無(wú)障礙時(shí)間低于 800h，差距明顯國(guó)內(nèi)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)動(dòng)特性研究目前還比較少，主要集中在機(jī)床生產(chǎn)廠與部分高校。國(guó)際上五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主要生產(chǎn)廠家有德國(guó)的 DMG、 XIMMERMANN，日本的 SNK（圖 1— 1）、 OKUMA，意大利哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的 FIDIA、 JOBS，法國(guó)的 FOREST— LINE 等。 本課題的研究成果，可以為數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究提出有建設(shè)性的方案參考。我國(guó)數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷 30多年來(lái)的發(fā)展，現(xiàn)已頗具規(guī)模，機(jī)床已涉及超重型機(jī)床、高精度機(jī)床、特種加工機(jī)床、鍛壓設(shè)備、前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域 【 1】 。多年來(lái)，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研制成為我國(guó)裝備制造業(yè)亟待解決的問(wèn)題。 Modal analysis 。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)控機(jī)床；五軸聯(lián)動(dòng)；有限元分析；模態(tài)分析； Solidworks